Für die Bestimmung des Stickstoff- und Proteingehalts in einer Probe gibt es zwei häufig verwendete Referenzmethoden, die seit über 140 Jahren koexistieren: Die Stickstoffbestimmung nach Kjeldahl und die Stickstoffbestimmung nach Dumas.
Stickstoffbestimmung nach Kjeldahl
Die Kjeldahl Methode wurde 1883 von Johan Kjeldahl in den Carlsberg Laboratorien entwickelt – rund 50 Jahre, nachdem Jean-Baptiste Dumas seine Methode zur Stickstoffbestimmung vorgestellt hatte. Da es in der Vergangenheit schwierig war, die Bedingungen der Dumas Methode zu reproduzieren, wurde lange Zeit die nasschemische Kjeldahl Methode bevorzugt, die sich als klassische Methode für die Bestimmung von Stickstoff und Protein durchgesetzt hat.
Bei der Stickstoffbestimmung nach Kjeldahl wird die Probe bei 420 °C für 90 Minuten mit konzentrierter Schwefelsäure und einem Katalysator chemisch aufgeschlossen, wobei der Stickstoff in der Probe in Ammoniumsulfat umgewandelt wird. Danach wird Natriumhydroxid zur Ammoniumlösung gegeben. Das freigesetzte Ammoniak wird anschließend destilliert und in eine Borsäurelösung überführt. Es folgt das Titrieren mit Schwefel- oder Salzsäure zur quantitativen Bestimmung von Stickstoff. Über einen spezifischen Umrechnungsfaktor kann dann der Proteingehalt berechnet werden.
Stickstoffbestimmung nach Dumas
Jean-Baptiste Dumas stellte seine Methode zur Stickstoffbestimmung bereits im Jahr 1831 vor. Obwohl die Dumas Methode basierend auf dem Hochtemperatur-Verbrennungsverfahren das ältere Verfahren für die Bestimmung des Stickstoff- und Proteingehaltes ist, konnte sie sich erst in den letzten Jahrzehnten als Referenzmethode für die Stickstoffbestimmung durchsetzen. Grund hierfür: Erst die Entwicklung moderner Analysatoren ermöglichte gleichbleibende Analysebedingungen und reproduzierbare Ergebnisse. Seit Einführung strengerer Umweltvorschriften in den 90er Jahren hat die umweltfreundliche Dumas Methode an Beliebtheit gewonnen und mehr und mehr die klassische Kjeldahl Methode abgelöst, die auf den Einsatz schädlicher Chemikalien angewiesen ist.
Die Stickstoffbestimmung nach Dumas beruht auf Verbrennung der Probe bei mindestens 950 °C in einer mit Sauerstoff angereicherten Umgebung. Während der Verbrennung wird der gesamte Stickstoff in der Probe in Stickoxide umgewandelt, diese anschließend zu Stickstoff reduziert und mit einem Wärmeleitfähigkeitsdetektor quantifiziert. Über einen spezifischen Umrechnungsfaktor kann dann der Proteingehalt berechnet werden.
Im Vergleich: Kjeldahl Methode vs. Dumas Methode
Im folgenden Abschnitt werden beide Analysenmethoden in Puncto Analysendauer, Kosten pro Analyse, und Sicherheit miteinander verglichen.
Analysendauer & Personaleinsatz
Die Analysendauer bei der Kjeldahl Methode beträgt mindestens 100 Minuten. Bei Anwendung der Batch-Arbeitsweise können an einem Tag maximal 100 Proben gemessen werden, aber eine einzelne Probe benötigt die gleiche Zeit wie die Messung des ganzen Batches. Das Verfahren ist aufgrund der vielen manuellen Prozessschritte in der Probenvorbereitung und -verarbeitung zeit- und arbeitsintensiv.
Bei der Stickstoffbestimmung nach Dumas beträgt die Analysendauer pro Probe vier bis fünf Minuten, d.h. dass Messergebnisse (auch einzelner Proben) schneller vorliegen als bei der Kjeldahl Methode. Damit ist die Dumas Methode viel besser geeignet, zeitnah Prozesse zu überwachen, zu optimieren und Entscheidungen zu treffen. An einem normalen Arbeitstag können mit der Dumas Methode bis zu 200 Proben gemessen werden - dies entspricht der doppelten Probenanzahl wie bei der Bestimmung nach Kjeldahl (siehe Abbildung 1). Durch den hohen Automationsgrad können die Proben bei der Dumas Methode nach der Einwaage unbeaufsichtigt den Analyseprozess durchlaufen: bis zu sieben Stunden an unbeaufsichtigter Betriebszeit sind so möglich und erlauben es dem Anwender, sich anderen Aufgaben im Labor zuzuwenden.
Kosten pro Analyse
Die Kosten pro Analyse belaufen sich bei der Kjeldahl Methode auf ca. 6 €*. Hauptkostenfaktoren sind hierbei die Kosten für Chemikalien, deren fachgerechte Entsorgung und Personalkosten. Zudem wird ein Platz im Laborabzug benötigt, der in der Regel begrenzt und teuer ist. Im Vergleich dazu liegen die Kosten pro Analyse bei der Dumas Methode zwischen 0,25* und 0,49 €*, abhängig vom Analysator und dem verwendeten Trägergas (Helium, Argon, oder CO2, Verfügbarkeit abhängig vom Modell).
* Die Kosten können je nach Land unterschiedlich sein.
Sicherheit & Umweltfreundlichkeit
Bei der Stickstoffbestimmung nach Kjeldahl kommen konzentrierte Schwefelsäure und Katalysatoren zum Einsatz, die sowohl für den Anwender als auch für die Umwelt Risiken bergen. Beim Analyseprozess entstehen schädliche Dämpfe, die – wenn sie nicht richtig abgezogen werden – eine Gefahr für Personen darstellen. Auch der Umgang mit Gefahrstoffen am Arbeitsplatz ist risikobehaftet. Zudem ist der flüssige Abfall aus dem Analyseprozess schädlich für die Umwelt und muss aufwendig entsorgt werden. Je 2.000 analysierte Proben fallen ca. 560 Liter an chemischen Abfällen an.
Bei der Dumas Methode hingegen werden keine schädlichen oder giftigen Chemikalien benötigt. Der Analysenprozess ist sicher und ungefährlich, und durch den hohen Automationsgrad werden Anwenderfehler so gut wie ausgeschlossen. Lediglich 560 g Abfall entsteht nach der Analyse von 2.000 Proben, der regulär entsorgt werden kann. Im direkten Vergleich ist die erzeugte Abfallmenge nach 2.000 Proben bei der Kjeldahl Methode um den Faktor 1000 höher als bei der Dumas Methode (560 Liter flüssiger Abfall bei der Kjeldahl Methode vs. 0,56 kg fester Abfall bei der Dumas Methode unter Verwendung eines rapid N exceed® Stickstoff-/Proteinanalysators).
Fazit
Insbesondere Labore mit einem hohen Probendurchsatz profitieren von der schnelleren Stickstoffbestimmung nach Dumas, da im gleichen Zeitraum rund doppelt so viele Proben wie bei der Kjeldahl Methode analysiert werden können. Beim Thema Personalkosten punktet die Dumas Methode dadurch, dass die Analysen weitestgehend unbeaufsichtigt ablaufen und sich die Mitarbeiter in der Zwischenzeit anderen Aufgaben im Labor widmen können. Aufgrund des höheren Personal- und Materialeinsatzes, aber auch aufgrund der aufwendigen Entsorgung der anfallenden Abfälle liegen die Kosten pro Analyse bei der Stickstoffbestimmung nach Kjeldahl deutlich höher als bei der Dumas Methode. Zudem müssen sich Unternehmen die Frage stellen, ob das Produzieren schädlicher Abfälle – die durch den Einsatz einer anderen Technologie vermeidbar wären – noch zeitgemäß ist und zu ihrer Unternehmensphilosophie passt.
Normen für die Stickstoffbestimmung nach Dumas
Die Verdrängung der Kjeldahl Methode durch die Dumas Methode erklärt auch die zunehmende Zahl weltweit gültiger Normen, welche die Stickstoffbestimmung nach Dumas festschreiben. Nachfolgend finden Sie einen Auszug von Dumas Normen, gruppiert nach Probenart.
Die folgenden Normen (Auszug) schreiben die Stickstoffbestimmung nach Dumas für Lebensmittel und Getränke fest:
| Norm | Jahr | Titel |
| AGF 150 | 2000 | Bestimmung des Proteingehaltes |
| AOAC 99215 | 1996 | Crude Protein in Meat and Meat Products |
| AOAC 99223 | 1998 | Crude Protein in Cereal Grains and Oilseeds |
| AOAC 99709 | 2008 | Nitrogen in beer, wort and brewing grains. Protein (total) by calculation. Combustion method. |
| ASBC Protein Methods | 2010 | Protein Methods |
| DIN EN ISO 14891 | 2002 | Milk and milk products - Determination of nitrogen content - Routine method using combustion according to the DUMAS principle |
| DIN EN ISO 16634-2 | 2016 | Cereals, pulses, milled cereal products, oilseeds and animal feeding stuffs - Determination of the total nitrogen content by combustion according to the Dumas principle and calculation of the crude protein content |
| EBC | 2016 | Total nitrogen in beer, wort and malt using the Kjeldahl and Dumas method |
| EU Pharm05 TNb | 2005 | Total Protein |
| ICC 167 | 2000 | Determination of crude protein in grain and grain products for food and feed by the Dumas Combustion Principle |
| ISO 14891 | 2002 | Milk and milk products - Determination of nitrogen content - Routine method using combustion according to the Dumas principle |
| LMBG L0100 60 | 1997 | Bestimmung des Stickstoffgehaltes von Milch und Milchprodukten - Verfahren nach Dumas |
| LMBG L0600 20 | 2003 | Bestimmung des Stickstoffgehaltes von Fleisch und Fleischerzeugnissen - Verfahren nach Dumas |
| MEBAK 2912 | 1993 | Verbrennungsmethode nach Dumas |
Die folgenden Normen (Auszug) schreiben die Stickstoffbestimmung nach Dumas für Tierfutter fest:
| Norm | Jahr | Titel |
| AOAC 99003 | 1998 | Protein (Crude) in Animal Feed |
| AOCS Ba 4e93 | 1999 | Generic Combustion Method for Determination of Crude Protein |
| DIN EN ISO 16634-1 | 2008 | Food products - Determination of the total nitrogen content by combustion according to the Dumas principle and calculation of the crude protein content - part 1: Oilseeds and animal feeding stuff |
Die folgenden Normen (Auszug) schreiben die Stickstoffbestimmung nach Dumas für Bodenproben, Pflanzenproben und Dünger fest:
| Norm | Jahr | Titel |
| AOAC 99313 | 1997 | Nitrogen (Total) in Fertilizers |
| DIN EN 13654-2 | 2002 | Soil improvers and growing media – Determination of nitrogen - Part 2: Dumas method |
| DIN ISO 13878 | 1998 | Soil quality - Determination of total nitrogen content by dry combustion (elemental analysis) |
| Lufa 3527 | 1995 | Bestimmung von Gesamt-Stickstoff |
Die folgenden Normen (Auszug) schreiben die Stickstoffbestimmung nach Dumas für Abfälle fest:
| Norm | Jahr | Titel |
| DIN EN 16168 | 2016 | Schlamm, behandelter Bioabfall und Boden - Bestimmung des Gesamt-Stickstoffgehalts mittels trockener Verbrennung |
Die folgenden Normen (Auszug) schreiben die Stickstoffbestimmung nach Dumas für flüssige Brennstoffe fest:
| Norm | Jahr | Titel |
| ISO 18611-2 | 2014 | Ships and marine technology - Marine NOx reduction agent AUS 40 - Part 2: Test methods |
| ISO 22241-2 | 2019 | Diesel engines — NOx reduction agent AUS 32 |
Die folgenden Normen (Auszug) schreiben die Stickstoffbestimmung nach Dumas für Kautschuk fest:
| Norm | Jahr | Titel |
| ISO 24698-1 | 2018 | Rubber, raw — Determination of bound acrylonitrile content in acrylonitrilebutadiene rubber (NBR) — Part 1: Combustion (Dumas) method |
Weiterführende Informationen
Weitere Informationen zum Unterschied zwischen der Kjeldahl und der Dumas Methode finden Sie in unserer Technical Note, die Sie sich nachfolgend herunterladen können.
In der Applikationsnotiz „Dumas Analyse in Milchprodukten“ erfahren Sie, wie die Dumas Methode und die Kjeldahl Methode bei der Analyse von Milch und Milchprodukten im direkten Vergleich abschneiden.
Lesen Sie in unserem Customer Spotlight, warum sich das Forschungszentrum Weihenstephan für Brau- und Lebensmittelqualität an der TU München für einen Technologiewechsel entschieden hat und wie das Team durch den Umstieg auf einen Dumas-Analysator seine Qualitätskontrolle von Lebensmitteln und Getränken nun effizienter und nachhaltiger gestaltet.
